Наука - Атомное Lego

В наши дни «Оскары» за спецэффекты получают фильмы-сказки. До них оскароносцами становились космические одиссеи. А почти сорок лет назад, на первых волнах интереса к наномиру («nano» означает одну миллиардную долю) две высшие кинонаграды – за оформление и спецэффекты – получила картина «Фантастическое путешествие» (1966), в которой герои на борту наносубмарины отправились в глубины… человеческого тела: сильно уменьшившись в размерах, группа ученых проникает в мозг только что убитого дипломата и спасает ему жизнь.

Сегодня интерес к нанотехнологиям снова на подъеме, и продюсер «Дня Независимости» и «Годзиллы» Дин Дэвлин предлагает получившему своих «Оскаров» за «Титаник» Джеймсу Кэмерону снять ремейк «Фантастического путешествия». Ведь эта отрасль науки снова завладевает умами и считается одной из самых перспективных. Непосвященному взгляду нанотехнологии кажутся детскими кубиками или деталями конструктора LEGO, которые сами собой выстраиваются в игрушечные «города». Специалисты знают, что все это – отнюдь не сказки.

Нанотехнологии сулят немыслимые прежде перемены почти во всех видах деятельности человека. Ожидается, что молекулярные роботы смогут перестраивать ткани организма, восстанавливать стареющие органы и устранять заболевшие. Это поставит в повестку дня достижение практического бессмертия. В промышленности традиционные методы производства сменяются молекулярной сборкой, воплощая мечты фантастов о персональных синтезаторах, способных изготовить любой предмет из чего угодно.

Сельскохозяйственные роботы заменят «естественные машины» – животных. Роботы станут производить пищу, воссоздавая химические процессы живых организмов более быстрым и эффективным путем. Целые армии роботов-молекул отправятся в космическое пространство и подготовят его для заселения человеком, соорудив из «подручных материалов» космические станции на Луне, астероидах и ближайших планетах.

В кибернетике произойдет переход к объемным микросхемам, а размеры активных элементов уменьшатся до диаметра молекул. На белковых молекулах появится долговременная быстродействующая память, емкость которой будет измеряться терабайтами. Нанокомпьютеры «встроятся» во все элементы окружающей среды, и она станет «разумной» и гораздо более комфортной для человека.

Предполагается, что осуществление всего перечисленного займет около 100 лет. Однако скептики предупреждают и о негативных последствиях. Так, если произойдет сбой в устройстве по разборке на отдельные атомы промышленных отходов, оно начнет уничтожать полезные вещества биосферы, обеспечивающие жизнь людей. И самое неприятное как раз в том, что нанороботы способны к самовоспроизводству.

Страшно даже представить себе, что небольшая террористическая группа или даже террорист-одиночка смогут заполучить секрет создания или самого саморазмножающегося наноробота, запрограммированного на изготовление оружия.

Всего полтора века назад мир удивлялся умению лесковского Левши подковать блоху. Надо полагать, что его гвоздочки были сравнимы с толщиной человеческого волоса – около десятой доли миллиметра. Сегодня речь идет совсем о других величинах.

Первые идеи внедрения нанотехнологий набросал великий американский физик прошлого века нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своей хрестоматийной речи 1959 года «Там внизу – море места» (There’s Plenty of Room at the Bottom). Его слова казались слушателям фантастикой: в то время не существовало технологий, способных работать с отдельными атомами: опознать атом, выделить его и переставить на другое место.

Такая возможность появилась лишь в 1981 году, когда в швейцарском отделении компании IBM был разработан сканирующий туннельный электронный микроскоп. Его сверхтонкая игла, продвигаясь на сверхмалой (около нанометра) высоте над поверхностью электропроводного материала, могла при подаче на нее электрического напряжения изъять одиночный атом, поменять знак напряжения и возвратить в материал.

В 1998 году сотрудник Стэнфордского университета, «нанопионер» Эрик Дрекслер прочел лекцию о будущем самовоспроизводящихся нанороботов, которые смогут, к примеру, свободно путешествуя по тончайшим кровеносным сосудам, уничтожать раковые клетки или – строить прямо в космосе межпланетные корабли из подручных «бросовых» материалов.

Тогда большинство слушателей сдержанно хихикали, считая эти мечты беспочвенными прожектами. Однако меньше чем через десять лет провидения Дрекслера стали обретать вполне реальные очертания.

В 1996 году американский профессор Ричард Смелли и его коллеги получили Нобелевскую премию за создание шароподобных молекул из 60 атомов углерода. Поскольку формой они напоминали «геодезические купола» американского инженера, поэта и философа Бакминстера Фуллера, их назвали фуллеренами. Сейчас общепринятым стало более короткое название, производное от имени Фуллера (Buckminster) – «букиболы» (buckyball – «шарик Бака»). Количество исследований растет лавинообразно. Оказалось, что крошечные шарики и трубочки из углерода обладают удивительными свойствами: из них можно построить все что угодно: лекарства, устройства для оптических сетей и строительные материалы с невиданными качествами.

В здравоохранении «букибольные» технологии уже пришли на смену традиционным методам. Раньше путь различных веществ (например, лекарств) отслеживали в человеческом организме, подмешивая к ним люминесцентные краски, которые быстро теряют способность светиться даже при подсветке дорогостоящими лазерами. Новая методика позволила создавать молекулы из сотни атомов, видные в обычный оптический микроскоп и сохраняющие светимость несколько дней. Кроме того, можно сделать так, чтобы при исследовании разных процессов свечение было разноцветным.

Другая медицинская «профессия» букиболов – доставка лекарственных веществ в нужную точку организма. Пока около трети лекарственных веществ «переносится» молекулами бензола (от бензольного кольца легко оторвать один атом и посадить на его место лекарственную добавку), но у букиболов гораздо больше «посадочных мест» – как минимум 60.

Сегодня многие перспективные направления в материаловедении связываются с букиболами, нанотрубками и другими похожими структурами, которые можно назвать общим термином «углеродные каркасные структуры».

Это большие (а иногда и гигантские!) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Можно даже говорить, что углеродные каркасные структуры – это новая форма углерода (в дополнение к давно известным: алмазу и графиту). Их главная особенность – это каркасная форма, выглядящая как замкнутая, пустая внутри «оболочка».

Самая знаменитая из подобных каркасных структур – состоящий из 60 атомов углерода фуллерен C60, первооткрывателям которого – Роберту Керлу, Гарольду Крото и Ричарду Смалли – была присуждена Нобелевская премия по химии за 1996 год.

В конце 80-х – начале 90-х, после того как была разработана методика получения фуллеренов в больших количествах, ученые обнаружили множество других, как более легких, так и более тяжелых фуллеренов: начиная от C₂₀ (минимально возможного из фуллеренов), до C₇₀, C₈₂, C₉₆ и выше.

Но разнообразие углеродных каркасных структур на этом не заканчивается. В 1991 году были обнаружены длинные цилиндрические углеродные образования, названные нанотрубками. Если представить, что мы взяли графитовую плоскость, вырезали из нее полоску и «склеили» ее в цилиндр (на самом деле нанотрубки растут совсем по-другому), получившаяся структура и образует нанотрубку.

Нанотрубки могут быть большими и маленькими, однослойными и многослойными, прямыми и спиральными. При этом, несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, они оказались на редкость прочным материалом – как на растяжение, так и на изгиб. А под действием превышающих критические показатели механических напряжений нанотрубки не «рвутся» и не «ломаются», а… перестраиваются. Кроме того, они демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от схемы «сворачивания» графитовой плоскости нанотрубки могут быть либо проводниками, либо полупроводниками, чем не может похвастаться ни один материал с таким простым химическим составом.

Первоначально их стали использовать в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей, ведь прочность однослойной нанотрубки на порядок больше, чем у стали, и «трос» толщиной с человеческий волос мог бы удерживать груз в сотни килограммов.

Правда, пока максимальная длина нанотрубок доходит лишь до сотен микронов, что весьма велико по атомным масштабам, но недостаточно для повседневного использования. Однако длина получаемых в лаборатории нанотрубок постепенно увеличивается: ученые вплотную подошли к миллиметровому рубежу, и уже недалек день, когда трубки будут измеряться метрами.

Если специалисты-материаловеды бьются над выращиванием все больших по объему конструкций, то компьютерщики преследуют противоположную цель. Исследователи стремятся заменить транзисторы в компьютерных чипах молекулами. И методами молекулярной электроники уже удается получить аналоги диодов и транзисторов.

Пять лет назад сотрудникам Hewlett Packard и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе удалось насадить имеющую форму кольца молекулу псевдоротоксана на ось – линейную молекулу. Чтобы «кольцо» не соскакивало с «оси», к ее концам присоединили крупные молекулярные фрагменты, играющие роль «гаек». При реакции с кислотой или щелочью кольцо может скользить от одного конца оси к другому, «переключая» химическое состояние. Другими словами, был создан молекулярный диод, который может либо пропускать, либо не пропускать ток.

Забавно, что на молекулярном уровне было, в принципе, воссоздано механическое устройство, весьма похожее на соединение стержней и колесиков в первых, самых примитивных, вычислительных машинах ХVII века (впрочем, при желании в этой структуре можно углядеть и простейшие канцелярские счеты).

А молекулярный транзистор сделала группа ученых из американских университетов Йеля и Райса: при включении электрического поля достаточно сложная молекула (из трех бензольных колец, к центральному из которых с противоположных сторон присоединены группы NО2 и NН2) закручивается, ее сопротивление меняется, и она начинает пропускать ток. При снятии поля молекула возвращается в исходное состояние.

Руководитель отделения нанотехнологий корпорации Mitre Джеймс Элленбоген полагает теперь, что скоро фабрики по производству процессоров вымрут, как мамонты, технология станет не сложнее фотопечати, а «компьютер размером с кристалл соли будет дешевле грязи». При этом, считает он, к 2020 году изменятся пропорции между программным и аппаратным обеспечением: если сейчас аппаратное обеспечение в процессе работы не изменяется, а программное – загружается в эту постоянную среду, то с развитием молекулярной электроники появится «универсальная коробочка», в которую можно будет «записать» код аппаратной конфигурации. И тогда станет возможным передавать через интернет не только «софт», но и «хард»: получив кодовый сигнал, «коробка» сконфигурируется под определенную задачу.

На быстрое развитие нанокомпьютеров, может быть, больше всех надеются врачи. Автор книги «Наномедицина» Роберт Фрейтас полагает, что типичное медицинское наноустройство будет роботом размером от 0,5 до 3 мкм в диаметре (три микрона – максимальный размер для наноробота кровотока, поскольку это минимальный диаметр капилляров). А типичная наномедицинская обработка пациента (например, очистка от бактериальной или вирусной инфекции) будет состоять из инъекции нескольких кубических сантиметров воды или солевого раствора, включающе-го 1–10 триллионов нанороботов.

Сам Фрейтас разрабатывает модель искусственной красной кровеносной клетки, «респироцита» – сферического наноробота, состоящего из 18 млрд. атомов. Это по большей части атомы углерода, имеющего кристаллическую решетку алмаза. По сути дела, создается гидропневмоаккумулятор, который может нагнетать внутрь себя 9 млрд. молекул кислорода (O2) и углекислого газа (CO2), а потом выпускать их по команде бортового компьютера через молекулярные роторы. Благодаря прочности алмазоида давление внутри респироцита сможет в тысячи раз превышать рабочее давление эритроцита, а одна клетка сумеет переносить в 236 раз больше кислорода, чем естественная красная клетка. Так что инъекция в кровоток дозы 50%-ного раствора респироцитов, равной 5 куб. см, сможет заменить несущую способность всей крови пациента (5400 куб. см). Планируется, что бортовые компьютеры находящегося в крови пациента респироцита будут получать сигнал врача через ультразвуковой передатчик…

Человечество стоит на пороге новой научно-технической революции, после которой человеку не придется больше трудиться «в поте лица своего». Нанотехнологии сулят изменения во всех сферах деятельности – от проектирования до создания устройств и механизмов с минимальными энергозатратами, контроль как над «мертвой», так и над «живой» материей, создание невиданной доселе искусственной жизни. Недаром, определяя 21 главную научную технологию XXI века, журнал Business Week ставит нанотехнологии на четвертое место, а интернет – только на четырнадцатое.